Přehled o Prášky pro aditivní výrobu
Prášky pro aditivní výrobu se vztahují na materiály kovových slitin vyráběné v práškové formě speciálně pro techniky 3D tisku, jako je selektivní laserové tavení (SLM), přímé laserové spékání kovů (DMLS), tavení elektronovým svazkem (EBM) a tryskání pojiva. Optimalizované rozložení velikosti částic, morfologie, chemie a vlastnosti prášku usnadňují přesné slévání vrstvu po vrstvě do součástí pro konečné použití.
Tabulka 1: Přehled vlastností prášku pro aditivní výrobu
| Atribut | Popis |
|---|---|
| Vstupní surovina | Sférické částice kovové slitiny |
| Výrobní metody | Atomizace plynu, elektrolýza, karbonyl |
| Použité materiály | Titan, hliník, nerezové oceli, superslitiny, nástrojové oceli |
| Velikosti částic | Typicky 10 - 45 mikronů |
| Klíčové vlastnosti | Tekutost, hustota, mikrostruktura, čistota |
| Primární aplikace | Letectví, lékařství, automobilový průmysl, průmyslová výroba |
Díky pečlivé kontrole vlastností, jako je tvar částic, jejich velikost, chemické složení a mikrostruktura, prášky AM hladce tečou, hustě se nabalují a důsledně se spojují vrstvu po vrstvě, čímž vznikají složité a robustní kovové součásti s mechanickými vlastnostmi, které odpovídají nebo převyšují tradiční výrobní postupy.
Metody výroby kovového prášku pro AM
Aditivní prášky využívají několik primárních výrobních cest k vytvoření jemných sférických prášků s požadovaným chemickým složením, tvorbou zrn, morfologií povrchu, úrovní pórovitosti a distribucí částic, které jsou vyžadovány procesy AM.
Tabulka 2: Srovnání metod výroby aditivního prášku pro aditivní výrobu
| Metoda | Popis | Klady/zápory |
|---|---|---|
| Rozprašování plynu | Vysokotlaký plyn rozbíjí proud roztaveného kovu na kapičky. | Stejnoměrné částice, nevýhodou je vyšší cena slitiny |
| Plazmová atomizace | Elektrodový oblouk taví/rozkládá kovy na částice. | Velmi sférický prášek, malé šarže |
| Hydrid-dehydrid | Prášek ze slitiny dekrepitovaný absorpcí vodíku | Velmi jemné prášky s dobrou tekutostí, ale nižší hustotou |
| Elektrolýza | Kovová surovina rozpuštěná z anody na prášek | Nižší náklady, ale nepravidelné vločkovité tvary |
S rozvojem hardwaru AM, který umožňuje jemnější rozlišení až na 20 mikronů, se stává zásadní těsnější rozdělení velikosti částic prášku se středem mezi 15 a 45 mikrony, což vyžaduje větší využití plynu a plazmy pro atomizaci, což usnadňuje sférický meteoritický prášek ideální pro husté balení a hladké hrabání.
Sladění výrobní trasy s požadavky zamýšleného procesu AM zajišťuje optimální specifikace prášku, které vyvažují kompromisy v oblasti výkonu.
Typy prášků pro aditivní výrobu kovů
Různé kovové slitiny vyráběné v práškové formě jsou nyní široce rozšířeny napříč technikami AM, od levných polymerů až po drahé žáruvzdorné superslitiny, a to díky větší konstrukční svobodě, která usnadňuje konsolidaci dílů, a vyšším vlastnostem přesahujícím limity odlévání nebo obrábění.
Tabulka 3: Běžné kovové práškové materiály používané pro AM
| Třída materiálu | Typy slitin | Popis |
|---|---|---|
| Slitiny hliníku | AlSi10Mg, AlSi7Mg | Odlehčování v leteckém a automobilovém průmyslu |
| Slitiny titanu | Ti-6Al-4V, Ti 6Al4V ELI | Vysokopevnostní letecké a biomedicínské implantáty |
| Nerezové oceli | 304L, 316L, 17-4PH | Odolnost proti korozi pro námořní hardware |
| Nástrojové oceli | H13, Maraging 300 | Řezné nástroje a formy s extrémní tvrdostí |
| Niklové superslitiny | Inconel 718, Inconel 625 | Turbostroje, jako jsou letecké motory |
| Exotické slitiny | Měď, kobalt-chrom, wolfram | Vlastní kompozice posouvají hranice |
Optimalizované prostředí pro tavení v práškovém loži usnadňuje zpracování tradičně náročných složení materiálů nad rámec běžných výrobních překážek. To umožňuje inovace v oblasti tepelného managementu elektronických obalů, ventilů a čerpadel pro ropu a plyn v extrémních prostředích, komponentů pro automobilové závody a satelitního hardwaru.
Pečlivý výběr optimální slitiny s ohledem na konstrukční priority týkající se hmotnosti, nákladů, pevnosti a kompatibility s životním prostředím usnadňuje výrobu ideálních vysoce výkonných aditivních dílů, které jsou nesrovnatelné se staršími procesy.
Klíčové vlastnosti prášků pro aditivní výrobu
Aby bylo zajištěno hladké a účinné nanášení materiálu, které je rozhodující pro dosažení hustých tištěných součástí bez vad, musí práškové produkty pro aditivní výrobu splňovat přísné požadavky týkající se jejich tokových vlastností, zdánlivé hustoty, zbytkové pórovitosti, mikrostruktur a limitů kontaminace.
Tabulka 4: Typické vlastnosti kovového prášku AM
| Charakteristický | Typické hodnoty | Zkušební metody | Důležitost |
|---|---|---|---|
| Morfologie prášku | Hladký téměř sférický | Zobrazování pomocí SEM | Balení a tok práškového lože |
| Distribuce velikosti částic | 10 μm - 45 μm | Laserová difrakční analýza | Rozlišení vrstev, rychlost sestavování |
| Zdánlivá a kohoutková hustota | 65-80% / 80-92% resp. | Gravimetrické měření pomocí Hallova průtokoměru | Rozlišení a kvalita tisku |
| Průtoky | 23-33 s pro 50 g | Časované trychtýřové testy | Roztíratelnost prášku |
| Zbytková pórovitost | <1% | Plynová pyknometrie | Hustota a mechanické vlastnosti |
| Kontaminace Ox/N | <1000 ppm / <500 ppm | Analýza inertního plynu | Opětovné použití prášku, zamezení vzniku trhlin při procesu |
Ověřování kritických vlastností prášku při výrobě pomocí pokročilých přístrojů usnadňuje opakovatelnost při překonávání odchylek vlastností mezi jednotlivými šaržemi pomocí statistických úprav procesu v reálném čase.
Sladění dobře charakterizovaného prášku se stabilními procesy vytváření s přísnými tolerancemi stroje zajišťuje spolehlivou výrobu AM.
Specifikace pro prášky pro aditivní výrobu kovů
Pro zajištění vysoké kvality komponentů hardwarových systémů AM musí prášky z kovových slitin splňovat přísnější chemické kontroly a rozměrové distribuce ve srovnání s konvenční práškovou metalurgií určenou pouze pro zhutňování a spékání.
Tabulka 5: Typické hodnoty specifikace prášku přísad
| Parametr | Společný rozsah | Zkušební metoda | Důležitost |
|---|---|---|---|
| Distribuce velikosti částic | 15 μm - 45 μm | Difrakce laseru | Řídí minimální rozlišení prvků |
| Elementární nečistoty | <1000 ppm | ICP spektroskopie | Poměry opětovného použití prášku |
| Zdánlivá hustota | 65-85% teoretický | Gravimetrická analýza pomocí Hallova průtokoměru | Vlivy na mechanický výkon |
| Hustota poklepání | 80-95% teoretický | Gravimetrická analýza | Poměry balení vrstev |
| Hallův průtok | <40 s pro 50 g prášku | Časovaný trychtýřový test | Konzistence roztírání práškového lože |
| Tvar částic | >80% sférický | Zobrazování pomocí SEM | Rovnoměrnost fluidizace v energetickém loži |
| Zbytková pórovitost | <1% | Plynová pyknometrie | Hustota a mechanické vlastnosti |
Sledování pokročilých vzorců pro koeficient rovnoměrnosti a poměr průtoku vyvinutých pro kovový prášek AM poskytuje hlubší vhled do problematiky než pouhý Hallův průtok a zajišťuje spolehlivý výkon aplikace.
A díky speciálnímu přizpůsobení distribuce velikosti práškové chemikálie aktivně usnadňují zlepšení procesů, které se honí za jemnějším rozlišením, vyšší rychlostí sestavování a delšími nepřerušovanými výrobními cykly, které jsou klíčové pro zavedení AM.
Třídy a normy pro prášky pro aditivní výrobu
Vzhledem k tomu, že aditivní výroba proniká do regulovaných prostředí zahrnujících letecký, lékařský, automobilový a průmyslový průmysl, jsou standardizované metody specifikace, testování, certifikace a kontroly kovových prášků zásadní pro zajištění opakovatelnosti, kvality a bezpečnosti.
Tabulka 6: Vznikající normy pro kovové prášky AM
| Standard | Oblast působnosti | Účel |
|---|---|---|
| ASTM F3049 | Standardní příručka pro charakterizaci AM prášků | Zavedení srovnávacích zkušebních metod pro hodnocení běžných vlastností prášku |
| ASTM F3056 | Specifikace prášků ze slitin niklu | Chemie, výroba, četnost opakovaných zkoušek |
| ASTM F3301 | Praxe pro metody sekundárních procesů aplikované na díly AM | Určete přijatelné techniky následného zpracování |
| AS9100 rev D | Schválení dodavatelé pro letecký průmysl | Systémy kvality pro regulovaná odvětví |
| ISO/ASTM 52921 | Standardní terminologie pro AM - koordinace s globálními normami | Zajištění jednotné terminologie a specifikací práškových materiálů AM |
S dalším pronikáním AM do komerčního a obranného průmyslu, který vyžaduje přísné ověřování a sledovatelnost dílů, se stávají povinnými standardizované zkušební postupy, dokumentace kontrolního řetězce, četnost vzorkování šarží, kontrola prostředí v zařízeních a školení personálu. Dodržování předpisů zajišťuje uživatelům úplný původ materiálu a transparentnost procesů, což usnadňuje přísnost kvalifikace očekávanou v kritických aplikacích.
Vládní agentury také podporují probíhající vývoj v oblasti specifikací materiálů, zkušebních technik a osvědčených postupů, protože AM se rozvíjí na různých trzích. Spolupráce mezi výrobci prášků, výrobci OEM tiskáren a průmyslovými uživateli bude i nadále podporovat lepší srovnávání, které zlepší výkonnost a spolehlivost v reálném světě.
Aplikace kovových aditivních prášků
Díky rozšiřujícím se možnostem tiskových systémů a dostupnosti optimalizovaných prášků pro potřeby AM mění aditivní výroba ekonomiku výroby v mnoha odvětvích od leteckého průmyslu až po spotřební zboží.
Tabulka 7: Primární aplikace prášků pro aditivní výrobu kovů
| Sektor | Příklad výrobního procesu | Výhody v poměru cena/výkon |
|---|---|---|
| Letecké motory | Trysky a rozdělovače z Inconelu 718 prostřednictvím DMLM | Zkrácení dodacích lhůt, zlepšení poměru nákupu a letu |
| Letecké turbíny | Konstrukční držáky Ti64 prostřednictvím EBM | Úspora hmotnosti, konsolidace částí |
| Biomedicínské implantáty | Kobalt-chromová ortopedie pomocí DMLS | Zvýšená míra integrace kostí |
| Automobilové závody | Vlastní slitiny a geomtrie pomocí SLM | Vysoká odolnost proti teplu/vibracím a úspora hmotnosti |
| Luxusní hodinky | Zlaté a ocelové mikrosoučástky pomocí SLM | Volnost designu/stylingu a rychlé iterace |
Díky rozšiřujícím se možnostem materiálů a větším dostupným objemům výroby mění technologie AM kovy výrobní překážky, kterým čelí konvenční procesy - umožňují vyšší pevnost, odlehčení, zvýšenou tepelnou odolnost díky generativním chladicím kanálům, konsolidaci dílů a zkrácení celkové doby výroby.
Tyto výrobní výhody podněcují zavádění technik AM, které vytlačují tradiční výrobu napříč odvětvími citlivými na náklady, jakmile si uvědomíme ekonomiku rozsahu. Pokračující inovace materiálů slibují rozšíření aplikací do dalších extrémních chemických, tlakových, korozivních a zátěžových prostředí.
Dodavatelé kovových AM prášků
Široká škála výrobců prášků nyní dodává specializované kovové materiály pro potřeby aditivní výroby napříč startovacím zařízením pro menší dílny až po velké poskytovatele leteckých a kosmických služeb prvního řádu a inovátory zakázkových slitin, kteří posouvají hranice možností AM.
Tabulka 8: Přední dodavatelé kovových prášků pro aditiva
| Společnost | Portfolio | Popis |
|---|---|---|
| Praxair | Slitiny titanu, niklu a kobaltu | Přední výrobce rozprašovaných plynů a prášků |
| Sandvik | Nerezové oceli | Vysoce výkonné slitiny včetně duplexních a maragingových ocelí |
| Technologie LPW | Hliník, titan, slitiny niklu | Zakázkové slitiny a pojiva |
| Přísada pro tesaře | Nástrojové oceli, nerezové oceli | Slitiny na zakázku s využitím odborných znalostí při výrobě oceli |
| AP&C | titanové, niklové superslitiny | Poskytovatel řešení pro životní cyklus prášku |
| Hoganas | Nerezové oceli | Vysoce výkonné slitiny včetně duplexních a maragingových ocelí |
Tito lídři v oblasti práškové technologie aktivně spolupracují v rámci AM průmyslu spolu s výrobci OEM tiskáren, výzkumníky a standardizačními skupinami na neustálém zlepšování rozměrové opakovatelnosti, snižování míry pórovitosti a zlepšování estetiky a mechanických specifikací hotových součástí.
Analýza nákladů na kovové prášky AM
Ceny běžných kovových AM prášků se výrazně liší v závislosti na složení, způsobu výroby, úrovni distribuce, požadavcích na testování a objemu nákupu - obecně však dosahují značných příplatků oproti běžným práškům pouze pro lisovací a spékací aplikace.
Tabulka 9: Ceny kovových přísad v prášku
| Materiál | Cenové rozpětí | Hnací síly nákladů |
|---|---|---|
| Slitiny hliníku | $50-120 za kg | Nižší vstupní náklady na kov, ale vysoké náklady na plynový rozprašovač |
| Nerezová ocel | $50-200 za kg | 316L dražší než třídy 17-4 nebo 15-5 |
| Nástrojové oceli | $60-220 za kg | Vyšší náklady na legující prvky |
| Slitiny titanu | $200-600 za kg | Intenzivní extrakce a manipulace při zpracování |
| Niklové superslitiny | $200-1000 za kg | Nízká výtěžnost prvků a schopnost tisku kritických prvků bez trhlin |
| Exotika jako Ta nebo W | $500-2000 za kg | V současné době velmi nízká globální dostupnost produkce |
Cenové zvýhodnění oproti konvenčním práškům je důsledkem mnohem menších velikostí dávek, vyšších vstupních nákladů na materiál a rozdílů ve zpracování, které optimalizují vlastnosti, jako je sféricita a řízená chemie usnadňující potřeby AM.
S rozšířením tiskáren, větší konkurencí a rozšířením výroby se pravděpodobně budou náklady postupně snižovat v průběhu 5 až 10 let - podle typického plánu technologické vyspělosti. Ceny speciálních tříd však zůstanou výrazně vyšší, což odráží základní dynamiku trhu s kovovými vstupy.
FAQ
Otázka: Jak se použité/recyklované kovové prášky AM omlazují pro další tiskové cykly?
Odpověď: Prášky se prosévají, aby se odstranily velké částice přesahující 100 mikronů, chemicky se vyváží, čímž se obnoví hladina kyslíku a dusíku, a smíchají se s proporcionálními panenskými materiály, čímž se zajistí vhodné opětovné použití bez zhoršení kvality konečného vytištěného dílu.
Otázka: Jaké kritické specifikace se nejvíce liší mezi AM a konvenčními lisovacími prášky?
Odpověď: Užší distribuce velikosti částic v průměru 25 mikronů, vyšší zdánlivé a kohoutkové hustoty, hladší sférické tvary meteoritického prášku a nižší hladiny kyslíku a dusíku odlišují potřeby AM od tradiční práškové metalurgie vyžadující pouze volnější tolerance. Dosažení těchto optimalizovaných vlastností usnadňuje tisk AM bez vad.
Otázka: Kolikrát lze běžné práškové slitiny AM obvykle znovu použít?
Odpověď: Podobné titanové a niklové superslitiny projdou až 20 cykly, než je třeba doplnit čerstvý prášek. Levnější nerezové oceli mohou dosáhnout více než 50 cyklů opakovaného použití. U hliníku a vysoce reaktivních druhů je doba recyklace omezena na méně než 5 cyklů.
Otázka: Jaký je potenciál zlepšení vlastností kovových AM prášků oproti stávajícím materiálům?
Odpověď: Kombinace zvýšeného poměru pevnosti a hmotnosti pomocí tenčích/ dutých profilů s vloženými kanály usnadňujícími proudění tekutin, přenos tepla nebo strukturální výztuž odemyká generativní konstrukční konfigurace, které přinášejí revoluci ve výrobě komponentů, jež jsou nemožné pouze pomocí subtraktivního obrábění nebo jednostupňového odlévání.
Otázka: Které průmyslové kategorie jsou v současné době nejslibnější pro růst práškového zpracování kovů?
A: Odvětví letectví a kosmonautiky, zdravotnických prostředků, automobilového průmyslu a ropy a zemního plynu vedou díky komponentům s vysokou hodnotou, které ospravedlňují investice do výzkumu a vývoje, k brzkému rozšíření hlavního proudu. Dlouhodobá očekávání však předpovídají konečné masové přijetí, které zlepší trvanlivost spotřebního zboží s využitím výhod flexibility AM, protože náklady na systém klesají.
